Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.Giao thức đa truy cập không trực giao cho các mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập năng lượng.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM TR TRẦN QUÝ HỮU ẦN QUÝ HỮU GIAO THỨC ĐA TRUY CẬP KHÔNG TRỰC GIAO CHO CÁC MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC THU THẬP NĂNG LƯỢNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số chuyên ngành: 62520203 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023 Cơng trình hoàn thành Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM Người hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Phan Văn Ca Phan Văn Ca Người hướng dẫn khoa học 2: TS Viên Quốc Tuấn Viên Quốc Tuấn Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Cấp trường họp Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM vào ngày tháng năm TÓM TẮT Luận án tích hợp chế đa truy cập, giao thức thu thập lượng, chuyển tiếp phân chia theo công suất (PSR) chuyển tiếp phân chia theo thời gian (TSR), giải mã chuyển tiếp (DF) hệ thống đa truy cập không trực giao truyền lượng thông tin không dây đồng thời (SWIPT NOMA), triển khai rộng rãi cho mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập lượng (EH), hệ thống mạng truyền thông không dây hệ thứ năm mạng hệ Cụ thể, luận án nghiên cứu kỹ thuật NOMA, giao thức giải mã chuyển tiếp (DF), thu thập lượng (EH) hệ thống chuyển tiếp hợp tác truyền lượng thông tin không dây đồng thời (SWIPT) Đầu tiên, chế NOMA bán song công (HD NOMA) đề xuất cho hệ thống SWIPT để phân bổ công suất cho hai thiết bị người dùng Một hai thiết bị người dùng dùng trạm chuyển tiếp để thực việc EH DF tín hiệu thu Cơ chế đề xuất sử dụng kiến trúc thu chia cơng suất (PS) Bộ thu có khả thực EH xử lý thông tin (IP) trạm chuyển tiếp Hiệu suất chế đề xuất phân tích thơng qua xác suất dừng (OP), thơng lượng tốc độ trung bình Cụ thể, biểu thức tốn học tường minh tính cho OP hai thiết bị người dùng, kết phân tích thơng lượng tốc độ trung bình tính cho phương thức truyền giới hạn trễ (DLT) truyền chấp nhận trễ (DTT) tương ứng Kết từ mô cho thấy xác suất dừng, thơng lượng tốc độ trung bình chế NOMA nâng cao so sánh với chế đa truy cập trực giao (OMA) Hiệu suất lượng (EE) tính cho hệ thống HD NOMA Các kết từ mô NOMA đạt hiệu suất lượng vượt trội OMA Tiếp theo, giao thức PSR TSR ứng dụng cho SWIP T mạng chuyển tiếp hợp tác truyền lượng không dây (CR WPN) dựa vào hệ thống đa truy cập không trực giao chuyển tiếp hợp tác (CRNOMA) Mạng bao gồm trạm sở hai nút đích nút đóng vai trị trạm chuyển tiếp để giúp truyền thông trạm sở nút xa Ngoài ra, giao thức DF xem xét nút chuyển tiếp hai phương thức truyền DLT DTT Phân tích hiệu suất: Các biểu thức tốn học tường minh OP, thông lượng, tốc độ trung bình EE tính tốn cho giao thức PSR TSR với phương thức DLT DTT mạng CRWPN dựa vào CRNOMA Hiệu hệ thống phân tích để đánh giá tác động thời gian thực EH, hiệu suất EH, tỉ số chia công suất, tốc độ liệu nguồn khoảng cách nút Ngoài ra, tác động thông số đến OP tốc độ trung bình hai thiết bị người dùng vùng SNR cao đánh giá Kết mô cho thấy hiệu suất CRNOMA vượt trội so với OMA So sánh hiệu suất hai giao thức, giao thức TSR đạt thông lượng, tốc độ trung bình lớn hiệu suất lượng nhỏ giao thức PSR Nghiên cứu đánh giá hiệu mạng với khoảng cách khác trạm sở trạm chuyển tiếp so sánh đường truyền trực tiếp đường truyền qua trạm chuyển tiếp với hệ số suy hao đường truyền không giống thực Cuối cùng, biểu thức toán học tường minh hiệu năng, tức xác suất dừng, thơng lượng, tốc độ trung bình EE, suy cho giao thức PSR với phương thức DLT DTT liên kết trực tiếp Hiệu mơ hình hệ thống với liên kết trực tiếp so sánh với hiệu C-NOMA chuyển tiếp so sánh CNOMA OMA Kết mơ cho thấy C-NOMA có liên kết trực tiếp đạt hiệu vượt trội so với C-NOMA chuyển tiếp C-NOMA vượt trội so với OMA Tác động thông số nêu đến liên kết trực tiếp đánh giá thông qua kết mô số để nhận thay đổi hiệu suất Những tác động tảng để lựa chọn tham số có giá trị tương thích cho mơ hình hệ thống, nhằm đạt cân điều khoản hiệu suất thiết bị người dùng ABSTRACT This thesis has combined multiple access schemes, energy harvesting (EH), power splitting-based relaying, and time switching-based relaying (P SR/TSR) protocols, as well as the decode-and-forward protocol (DF), in a simultaneous wireless information and power transfer non-orthogonal multiple access (SWIPT NOMA) system This system can be applied widely to enable EH in cooperative relay radio networks, fifth generation, and next-generation wireless communication systems Specifically, the thesis studies NOMA techniques, DF, and EH in SWIPT cooperative relay systems In the first network model, a halfduplex NOMA (HD NOMA) scheme is suggested for the SWIPT system to allocate power for two users, one of which is considered a relay station that performs both EH and DF on the received signal The suggested scheme makes use of a power splitting (PS) receiver architecture which enables both information processing and EH at the relay station The performance of the suggested scheme is analyzed in terms of outage probability (OP), throughput and ergodic rate Specifically, closed-form expressions are derived for the OP at both users, while the analytical results of the throughput and ergodic rate are obtained for DLT and DTT modes, respectively It is shown that, with the NOMA adapta tion, an improved outage performance is attained for a significantly increased throughput as well as ergodic rate at what time compared to the conventional orthogonal multiple access (OMA) The energy efficiency (EE) is derived for the suggested HD NOMA systems Our numerical results depict that the NOMA attains a upper EE performance than the conventional OMA Second, PSR/TSR protocols are successively used for SWIPT in a CRNOMA based cooperative relaying wireless-powered networks (CRWPNs) containing a base station and two destination nodes among which one plays the role as a relay station to assist the communication between the base station and the far end nodes Additionally, DF is considered at the relay station over two transmission modes, i.e., DLT and DTT In performance analysis, closed-form expressions of OP, throughput, ergodic rate, and EE are derived for the PSR and TSR protocols with DLT and DTT modes in the CRNOMA-based CR WPNs Next, the performance is analyzed to realize the impacts of EH time, EH efficiency, PS ratio, source data rate, and the distance between the nodes Furthermore, the impacts of these parameters on the OP and ergodic rate of two users at high SNR regime are also evaluated The simulation results demonstrate that the performance for CRNOMA outperforms that for OMA For performance comparison between two protocols, the TSR achieves higher throughput, ergodic rate, and EE than the PSR The investigation and evaluation of performance metric versus different distances between from the base station to relay station and comparison between direct and indirect links with different path losses are performed In the last model, closed-form expressions of the performance, i.e., OP, through put, ergodic rate and EE, are derived for the PSR protocol with DLT and DTT modes, and direct link This performance of the system model with direct link is compared to that for C-NOMA indirect link and OMA The simulation re sults show that the C-NOMA with direct link achieves a better performance than that for the C-NOMA indirect link and OMA The impacts of above-mentioned parameters on the direct link are evaluated via the numerical sim ulation results to realize the changes of the performance These influences are the foundation for selecting parameters with appropriate values for the system model to strike a balance between performance and user device terms Chương TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết đề tài Thông tin di động lĩnh vực cần thiết đời sống xã hội lồi người Khi xã hội ngày phát triển nhu cầu người truyền thông, tương tác trực tuyến ngày cao Cùng với tiến triển này, mạng không dây với công nghệ nG hệ mạng đã, đời để phục vụ cho nhu cầu người Sự bùng nổ số lượng thiết bị truy cập, loại hình mạng dịch vụ khác kéo theo giới hạn tốc độ truy cập, dung lượng, băng thông, lượng, độ trễ truyền tín hiệu mạng viễn thông Những hạn chế thể rõ mạng từ 1G đến 4G Trong mạng này, kỹ thuật truy cập triển khai đa truy cập trực giao (OMA) OMA bao gồm kỹ thuật TDMA, CDMA, FDMA OFDM Đề tài tập trung vào nghiên cứu vấn đề thu thập lượng trạm chuyển tiếp, góp phần kéo dài thời gian hoạt động trạm chuyển tiếp hệ thống đa truy cập không trực giao chuyển tiếp hợp tác, truyền lượng thông tin không dây đồng thời, sử dụng giao thức PSR, TSR, DF để thu thập lượng, giải mã chuyển tiếp thông tin từ nút nguồn đến nút đích NOMA gần chứng minh kỹ thuật có tính khả thi cao để triển khai cho mạng 5G hệ mạng tiếp theo, để vượt qua trở ngại công nghệ EE, độ trễ công thiết bị người dùng [80], [87]-[88] Một đặc điểm bật kỹ thuật NOMA cho phép nhiều thiết bị người dùng sử dụng chung tài nguyên thời gian, tần số và/hoặc miền mã [80] Một thiết bị người dùng mạnh, tức thiết bị người dùng gần trạm sở (NU), có điều kiện kênh truyền tốt hơn, cung cấp hệ số phân bổ công suất thấp so với thiết bị người dùng yếu, tức thiết bị người dùng xa trạm sở (FU), có điều kiện kênh truyền hơn, đảm bảo tính cơng thiết bị người dùng [4], [6], [87], [89] Hai kỹ thuật triển khai NOMA bao gồm mã hóa chồng chất [88] loại bỏ nhiễu liên tiếp [87]-[88] Như phiên mở rộng NOMA, NOMA hợp tác (C-NOMA) [91]-[92] khai thác thiết bị người dùng với điều kiện kênh truyền tốt hơn, cụ thể thiết bị người dùng chuyển tiếp, để hỗ trợ chuyển tiếp thông tin cho thiết bị người dùng khác có điều kiện kênh truyền Vì vậy, C-NOMA tăng mức độ phủ sóng trạm sở tăng cường hiệu suất hệ thống NOMA Trên giới có nhiều nhóm nghiên cứu kỹ thuật NOMA cho mạng 5G hệ mạng tiếp theo, nhóm nghiên cứu trường Đại học Middlesex [1]-[2] quan tâm tới vấn đề lượng hệ thống NOMA mạng HCRAN, vấn đề cảm nhận phổ mạng vơ tuyến nhận thức Nhóm nghiên cứu trường Đại học Manchester [3] nghiên cứu vấn đề NOMA hợp tác, giải thuật chọn lựa chuyển tiếp kết hợp với thu thập lượng (EH) mạng ứng dụng công nghệ NOMA Thu thập lượng từ tần số vô tuyến giúp giải tốn hạn chế lượng, kéo dài thời lượng pin thiết bị điện tử, cảm biến không dây trạm chuyển tiếp mạng truyền thông không dây [91]-[92] Tại trạm chuyển tiếp, việc thực EH triển khai giai đoạn khối thời gian truyền tín hiệu Năng lượng thu thập dành riêng cho: i) tiêu thụ trạm chuyển tiếp ii) chuyển tiếp thông tin giải mã tới nút đích Sự kết hợp SWIPT C-NOMA hệ thống 5G chứng minh EE vượt trội vùng phủ sóng rộng so với OMA [31], [89] Hơn nữa, cách chuyển tiếp thông tin đến thiết bị người dùng xa, trạm chuyển tiếp dựa SWIPT C-NOMA cải thiện tính ngun độ tin cậy liệu truyền cho thiết bị người dùng yếu [93] Giao thức PSR giao thức TSR khai thác trạm chuyển tiếp dựa SWIPT để thực EH IP [4], [6], [29], [94] Trong [95], tổng thông lượng thiết bị người dùng hệ thống C-NOMA dựa SWIPT nghiên cứu Các biểu thức toán học gần biểu thức toán học tường minh OP đạt Trong [96], hai giao thức dựa SWIPT, CNOMA SWIPT-PS CNOMA-SWIPT-TS, đề xuất Tính hiệu chế đề xuất chứng minh vượt trội so với OMA so với công việc [97] Trong [90], SWIPT dựa hệ thống C-NOMA điều tra Một thiết kế chung cho hệ số PS yếu tố TS đề xuất để cải thiện hiệu suất hệ thống Các biểu thức phân tích cho OP thiết bị người dùng gần xa cung cấp Trong [98], SWIPT dựa PSR cho CNOMA nghiên cứu So với giao thức [99], giao thức giảm đáng kể OP thiết bị người dùng mạnh tăng thông lượng hệ thống Trong [100], OP thông lượng giao thức TSR đề xuất ưu việt so với giao thức TSR thơng thường Có hai chế chuyển tiếp liệu chủ yếu C-NOMA có hỗ trợ chuyển tiếp, bao gồm DF AF [87] Hơn nữa, chuyển tiếp dựa vào C-NOMA, thiết bị người dùng xa thường nhận tín hiệu truyền từ trạm phát, chuyển tiếp từ trạm chuyển tiếp [100]-[104] Nguyên nhân có số chướng ngại vật đường truyền [4], [6], [105] Tuy nhiên, mô hình hệ thống khơng có chướng ngại vật, thiết bị người dùng xa nhận tín hiệu từ trạm chuyển tiếp hợp tác từ trạm sở, tức là, trạm chuyển tiếp dựa vào C-NOMA với liên kết trực tiếp [53],[106]-[108] Trong [106], chế DF động dựa CNOMA cho truyền đường xuống đề xuất Biểu thức OP chế đề xuất thiết lập cách áp dụng lý thuyết xử lý điểm Trong [109], ba chế chuyển tiếp hợp tác đề xuất hệ thống C-NOMA dựa DF Hiệu suất hệ thống cho chế đề xuất vượt trội so với chuyển tiếp hợp tác DF khơng có liên kết trực tiếp truyền chồng chất tín hiệu cho nhiều thiết bị người dùng không qua chuyển tiếp Trong [110], hệ thống C-NOMA dựa DF với đường liên kết trực tiếp trạm phát thiết bị người dùng yếu nghiên cứu Trong [111], hệ thống hợp tác thiết bị với thiết bị với NOMA trạm sở truyền thông đồng thời với tất thiết bị người dùng xem xét Hai chiến lược giải mã, cụ thể chế giải mã tín hiệu đơn chế giải mã kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC), đề xuất Các kết mô cho thấy tổng tốc độ trung bình OP đạt tốt so với chế NOMA thông thường Các tác giả [112] đề xuất giao thức cho phép trạm sở chuyển đổi cách mềm dẻo phương thức trực tiếp gián tiếp hệ thống C-NOMA với hai thiết bị người dùng Các kết phân tích chứng minh giao thức đề xuất ưu việt so với giao thức C-NOMA thông thường Trong [77], hiệu suất dừng hệ thống SWIPT NOMA dựa DF kép với đường liên kết trực tiếp trình bày Việc sử dụng trạm chuyển tiếp để chuyển tiếp thông tin từ trạm sở đến nút đích thực EH từ RF nghiên cứu công nghệ OFDMA, SWIPT/WPT [113]-[115] Trong [113], chế lựa chọn chuyển tiếp, cụ thể lựa chọn chuyển tiếp OFDMA, đề xuất cho mạng hợp tác đa chặng OFDM với L trạm chuyển tiếp M chặng (M, L ≥ 2) Hiệu suất dừng từ đầu đến cuối phương pháp đề xuất đánh giá so sánh với hiệu suất phương pháp lựa chọn chuyển tiếp OFDM Trong [114], chế lựa chọn chuyển tiếp nghiên cứu mạng OFDMA đa thiết bị người dùng hỗ trợ chuyển tiếp hai chặng với K trạm chuyển tiếp cố định L thiết bị người dùng (2 ≤ L ≤ K), nút cuối khai thác chế SWIPT dựa kỹ thuật phân chia theo công suất (PS) Lựa chọn chuyển tiếp tối ưu hóa tỷ lệ phân chia theo công suất nút cuối chuyển tiếp, sóng mang phân cơng công suất cho tốc độ tổng hệ thống tối đa hóa giới hạn lượng thu công suất truyền Trong [115], khảo sát kỹ thuật thu thập lượng hỗ trợ SWIPT WPT trình bày Kết khảo sát thể cách chi tiết công nghệ tiềm khác cho truyền thông hệ thứ năm (5G) với SWIPT/WPT Những đóng góp nghiên cứu sinh luận án sau: Thứ nhất, việc ứng dụng giao thức chuyển tiếp phân bổ công suất (PSR) chuyển tiếp chuyển mạch thời gian (TSR) chế truyền công suất thông tin không dây cách đồng thời (SWIPT) khai thác hệ thống NOMA chuyển tiếp hợp tác Thứ hai, thông số hiệu năng: xác xuất dừng (OP), thông lượng, tốc độ trung bình, hiệu suất lượng (EE) nghiên cứu để so sánh giao thức PSR, TSR NOMA OMA Thứ ba, xây dựng biểu thức toán học tường minh hiệu hệ thống, tức OP, thông lượng, tốc độ trung bình EE hệ thống, sử dụng giao thức PSR với phương thức truyền giới hạn trễ (DLT) truyền chấp nhận trễ (DTT), chuyển tiếp hợp tác liên kết trực tiếp Hiệu mô hình hệ thống có liên kết trực tiếp so sánh với hiệu C-NOMA qua chuyển tiếp hợp tác so sánh C-NOMA OMA Các kết mô C-NOMA với liên kết trực tiếp đạt hiệu vượt trội so với C-NOMA chuyển tiếp C-NOMA có hiệu tốt so với OMA Cuối cùng, tác động thông số chẳng hạn thời gian thực EH, hệ số chia công suất, hiệu suất thực EH, tốc độ liệu nguồn, khoảng cách từ trạm sở đến trạm chuyển tiếp nghiên cứu để xem xét ảnh hưởng chúng lên OP, thơng lượng, tốc độ trung bình, EE hai giao thức PSR TSR Tác động thông số nêu đến liên kết trực tiếp đánh giá dựa vào kết mô số để nhận thay đổi hiệu suất Những tác động sở để chọn lựa tham số có giá trị phù hợp cho mơ hình hệ thống nhằm đạt cân yếu tố hiệu thiết bị người dùng Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Đa truy cập không trực giao 2.1.1 Giới thiệu Kỹ thuật NOMA phát triển cho hệ mạng 5G hệ mạng Mã hóa xếp chồng triệt nhiễu nối tiếp hai công nghệ cốt lỗi kỹ thuật NOMA miền công suất Để giúp trạm phát truyền thơng tin đến user có điều kiện kênh truyền yếu, NOMA hợp tác khai thác mơ hình mạng Trong NOMA hợp tác, user có điều kiện kênh truyền tốt giúp nguồn chuyển thông tin đến user mong muốn, user có điều kiện kênh truyền Trong NOMA hợp tác, vấn đề cung cấp lượng cho user chuyển tiếp vấn đề cốt lõi để trì hoạt động chúng Năng lượng thu thập từ tín hiệu vơ tuyến RF nguồn phát cung cấp nguồn lượng khả thi hệ thống NOMA hợp tác 2.1.2 Thu thập lượng NOMA hợp tác đường xuống với SWIPT Tuyến lượng Tuyến thơng tin Giải mã tín hiệu UE2 Tuyến lượng Tuyến thông tin UE2 Trạm gốc (BS) Tuyến chuyển tiếp P SIC tín hiệu UE2 UE2 Giải mã tín hiệu UE1 UE1 f UE1 Hình 2.1: Mơ hình thu thập lượng truyền thơng tin đồng thời ứng dụng NOMA hợp tác dựa vào chế SWIPT Chương MƠ HÌNH HỆ THỐNG Trong chương này, mơ hình nghiên cứu đề xuất gồm có trạm gốc S hai thiết bị người dùng D1 D2 sử dụng kỹ thuật NOMA với chế SC phía phát chế SIC trạm chuyển tiếp thu thập lượng Có hai trường hợp đưa sau: 10 3.1 Trường hợp thứ Phát tín hiệu User SIC Phát tín hiệu User Trừ tín hiệu User Công suất h1 h2 User User D1 Thời gian/Tần số Phát tín hiệu User D2 S Hình 3.1: Mơ hình hệ thống với trạm gốc hai thiết bị người dùng có vật cản S D2 Trong hình 3.1, S quảng bá hai tín hiệu x1, x2 đến D1, D1 phát tín hiệu x2 xem x2 nhiễu, D1 sử dụng SIC để loại bỏ x2, D1 phát giải mã tín hiệu x1 D1, sau D1 khai thác để giúp S chuyển tiếp tín hiệu giải mã x2 đến D2 D1 sử dụng giao thức DF sử dụng lượng thu thập từ S Giả sử mơ hình hệ thống với kênh truyền Rayleigh fading Các khoảng cách tương ứng từ S đến D1 từ D1 đến D2 d1 d2 Giả sử độ lợi liên kết liên quan phân bố Rayleigh với hàm mật độ xác suất cho bởi: f h ( x) = i x exp − , i 1, 2 , i i (3.1) Trong đó, Ωi biểu diễn cơng suất trung bình hàm phân bố tích lũy xác định bởi: x Fh ( x ) = − exp − , i 1, 2 i i 3.1.1 Thu thập lượng xử lý thông tin D1 3.1.1.1 Thu thập lượng D1 dựa vào PSR Power T Thu thập lượng D1 βPS Truyền liệu từ S đến D1 (1-β)PS Chuyển tiếp liệu từ D1 đến D2 T/2 T/2 11 Time (3.2) Hình 3.2: Giao thức PSR hệ thống thu thập lượng 3.1.1.2 Thu thập lượng D1 dựa vào TSR Power T Thu thập lượng D1 khe thời gian T Truyền liệu từ S đến D1 (1 − ) T / Chuyển tiếp liệu từ D1 đến D2 (1 − ) T / Time Hình 3.3: Giao thức TSR hệ thống thu thập lượng 3.2 Trường hợp thứ hai Phát tín hiệu User Trừ tín hiệu User Phát tín hiệu User SIC Cơng suất h1 D1 h2 User User Thời gian/Tần số MRC Phát tín hiệu User h0 D2 S Hình 3.4: Mơ hình hệ thống với trạm gốc hai thiết bị người dùng khơng có vật cản S D2 Giả sử khơng có vật cản S D2 hình 3.4 Trong hình 3.4, hai thiết bị người dùng D1 D2 nhận tín hiệu truyền từ trạm gốc S Bởi D2 xa nút nguồn S D1, D1 giúp S chuyển tiếp thơng tin đến D2 Chương PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG Ở chương 3, nghiên cứu sinh xây dựng biểu thức cho việc thu thập lượng xử lý thông tin trạm chuyển tiếp cho hai trường hợp đề xuất Trong chương này, nghiên cứu sinh thiết lập công thức tính hiệu (OP, thơng 12 lượng, tốc độ trung bình, EE) hệ thống SWIPT NOMA Phân tích đánh giá hiệu hệ thống trường hợp: - Truyền qua trạm chuyển tiếp truyền trực tiếp - Perfect SIC (loại bỏ can nhiễu liên tiếp hoàn hảo) imperfect SIC (loại bỏ can nhiễu liên tiếp khơng hồn hảo) 4.1 Phân tích hiệu trường hợp 4.1.1 Xác suất dừng D1 Xác suất dừng D1 giao thức PSR cho bởi: ( ) PD1 , X = − Pr 2,D1 th2 , 1,D1 th1 , (4.1) Khi th = 22 R − giá trị SNR ngưỡng D1 để phát x1 , R1 tốc độ mục 1 tiêu D1 để phát x1 th2 = 22 R2 − giá trị SNR ngưỡng D2 để phát x2 R2 tốc độ mục tiêu D1 để phát x2 PD1 , X = − e Đặt 1, X = th2 (a2 − a1 th ) I X , 1, X = th1 a1 XI − 1, X 1 , (4.2) 1, X = max( 1, X , 1, X ) với a2 a1 th2 4.1.2 Xác suất dừng D2 ( ) ( PD2 , X = Pr 2, D1 th2 + Pr 2, D2 th2 , 2, D1 th2 = 1− e − 1, X 1 th2 − x EX + 1− e 1, X ) − x e dx, 1 (4.4) Xác suất dừng D2 SNR cao tính sau: D2 , X P = 1− 2 th2 2 th2 x EX 12 x EX 12 4.1.3 Thông lượng phương thức DLT 13 K1 (4.6) t , X = (1 − PD , X ) R1 + (1 − PD , X ) R2 (4.7) 4.1.4 Tốc độ trung bình phương thức DTT 4.1.4.1 Tốc độ trung bình D1 RD1 , X = −e X a I 1 ln −1 Ei X I a1 1 (4.9) 4.1.4.2 Tốc độ trung bình D2 2x − X x − I ( a2 − a1 x )1 y EX e + 1 1 − e IX ( a2 − a1 x ) = ln 1+ x a2 a1 RD2 , X − y e dy dx (4.11) 4.1.4.3 Tốc độ trung bình hệ thống r , X = RD , X + RD , X (4.14) 4.1.5 Loại bỏ can nhiễu liên tiếp khơng hồn hảo PxI1 ,_DSIC = 1− e − 1 1 , với 1 = th I ( a1 − a2 2 th 4.2 Phân tích hiệu trường hợp 4.2.1 Xác suất dừng D1 Tương tự xác suất dừng D1 trường hợp 4.2.2 Xác suất dừng D2 cho liên kết qua chuyển tiếp Tương tự xác suất dừng D2 trường hợp 14 ) (4.17) Xác suất dừng D1 SNR cao biểu thị bởi: PD1 = 1 1 (4.18) 4.2.3 Xác suất dừng D2 cho liên kết qua chuyển tiếp liên kết trực tiếp PD2 ,dir = e − 1 1 I I th2 ya2 − x − y − + 1 − e x E 2 x E 2 ( y a1 +1) e 0 dxdy 0 1 − I − + 1 − e 1 1 − e 0 (4.21) 4.2.4 Thông lượng cho phương thức DLT 4.2.4.1 Qua liên kết chuyển tiếp Thông lượng qua liên kết chuyển tiếp tương tự trường hợp 4.2.4.1 Qua liên kết chuyển tiếp trực tiếp t ,dir = (1 − PD ) R1 + (1 − PD ,dir ) R2 (4.25) 4.2.5 Tốc độ trung bình phương thức DTT 4.2.5.1 Tốc độ trung bình D1 Tốc độ trung bình D1 qua liên kết chuyển tiếp tương tự trường hợp 4.2.5.2 Tốc độ trung bình D2 liên kết qua chuyển tiếp Tốc độ trung bình D2 qua liên kết chuyển tiếp tương tự trường hợp 4.2.5.3 Tốc độ trung bình D2 liên kết qua chuyển tiếp trực tiếp 15 RD2 ,dir x ( ya1 +1) + ya2 x − − I ( a2 − a1 x ) 1 z E ( ya1 +1) e − − e a2 0 x 10 a 1 I ( a2 − a1 x ) = 2ln 1+ x −y−z e 0 1 dydz dx (4.27) Tốc độ trung bình biểu thức tiệm cận D2 vùng SNR RD2 ,dir = 2ln a2 a1 − e 2x E y PSR − a2 E a1 y PSR − y 1 dxdy 1 (1 + x ) 0 (4.29) 4.2.5.4 Tốc độ trung bình hệ thống liên kết qua chuyển tiếp Tốc độ trung bình hệ thống liên kết qua chuyển tiếp xác định tương tự trường hợp 4.2.5.5 Tốc độ trung bình hệ thống liên kết qua chuyển tiếp trực tiếp r ,dir = RD + RD ,dir , (4.31) 4.2.6 Hiệu suất lượng EE , X = Trong đó, T = 1, = 1, = 2 , X TPS + TPr = 2 , X (1 + E 1 ) , (4.32) PS biểu thị , Pr = h1 PS = E 1PS ( t , r ) N0 EE hệ thống phương thức DLT phương thức DTT tương ứng Chương KẾT QUẢ THỰC HIỆN 5.1 Kết mô thảo luận cho trường hợp 16 Hình 5.1(c)-(d) vẽ OP hai thiết bị người dùng giao thức PSR TSR theo SNR Thiết bị người dùng đạt OP thấp thiết bị người dùng chế HD CRNOMA OMA Và OP hai thiết bị người dùng chế HD CRNOMA thấp OP hai thiết bị người dùng chế OMA Hình 5.1c Xác suất dừng theo SNR giao thức PSR TSR Hình 5.1d So sánh xác suất dừng cơng việc thực với cơng việc [85] Hình 5.2c vẽ OP hai thiết bị người dùng giao thức PSR TSR 17 Từ hình, OP thiết bị người dùng thấp thiết bị người dùng hai giao thức PSR TSR Ngoài ra, OP hai thiết bị người dùng giao thức TSR thấp giao thức PSR Hình 5.2c OP theo hệ số EH giao thức PSR TSR Hình 5.3c cho thấy thông lượng thiết bị người dùng cao nhiều so với thông lượng thiết bị người dùng chế HD CRNOMA Hình 5.3c Thông lượng hai thiết bị người dùng với β=α giao thức PSR TSR Từ hình 5.4c, tốc độ trung bình thiết bị người dùng HD CRNOMA đạt cao tốc độ trung bình thiết bị người dùng HD OMA thấp 18 Hình 5.4c Tốc độ trung bình hai thiết bị người dùng với β=α giao thức PSR TSR Hình 5.5d Vẽ EE hai thiết bị người dùng giao thức PSR TSR theo SNR (dB), nhận EE phương thức DLT thấp phương thức DTT NOMA vượt trội EE so sánh với OMA vùng SNR thấp (< 10(dB)) 19 Hình 5.5d Hiệu suất lượng hai thiết bị người dùng giao thức PSR TSR Hình 5.7 Xác suất dừng với SNR giá trị khác d Hình 5.8 So sánh xác suất dừng D1 theo SNR trường hợp perfect SIC imperfect SIC x2 với giá trị khác 20 Hình 5.11 Thông lượng hai thiết bị người dùng trường hợp khơng có liên kết trực tiếp có liên kết trực tiếp Hình 5.12 Tốc độ trung bình hai thiết bị người dùng khơng có liên kết trực tiếp có liên kết trực tiếp 21 trường hợp Hình 5.13 minh họa EE theo SNR từ -10 đến 40 dB Hình vẽ EE cho CNOMA với liên kết trực tiếp đạt cao nhiều so với C-NOMA khơng có liên kết trực tiếp OMA Hình 5.13 Hiệu suất lượng hai thiết bị người dùng SNR trường hợp liên kết trực tiếp có liên kết trực tiếp Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Trong luận án này, nghiên cứu sinh đề xuất giải pháp thu thập lượng hệ thống SWIPT NOMA với nội dung trọng tâm NOMA miền công suất NOMA hợp tác thực chuyên đề nghiên cứu Các giải pháp thu thập lượng trạm thu phát, góp phần quan trọng việc đánh giá, triển khai, quy hoạch mạng vô tuyến, mạng cảm biến không dây, thực môi trường cung cấp lượng thể người, sinh vật, không trung hay trường hợp cứu hộ, cứu nạn, cảnh báo lũ, cảnh báo sạt lỡ, cảnh báo cháy rừng Hiệu mơ hình nghiên cứu sử dụng giao thức PSR, TSR để thu thập lượng xử lý thông tin, với phương thức truyền qua chuyển tiếp truyền trực tiếp, với 22 chế DF hệ thống SWIPT NOMA, thiết lập biểu thức toán học kiểm chứng xác thơng qua kết mô Monte Carlo Kết thực chứng minh NOMA vượt trội OMA thơng lượng tốc độ trung bình, giao thức PSR ưu việt so với giao thức TSR Qua nội dung này, cho thấy chế NOMA khả thi vượt trội so với chế OMA thông thường Từ đó, áp dụng NOMA mạng chuyển tiếp hợp tác, triển khai nhiều lĩnh vực truyền thông vô tuyến khác 6.2 Hướng phát triển Tiếp tục nghiên cứu NOMA EH góp phần khắc phục thách thức mạng chuyển tiếp, mạng hợp tác không dây toán thiếu hụt lượng Nghiên cứu sinh nghiên cứu giao thức để thu thập lượng không dây từ sóng RF mơi trường xung quanh đồng thời xử lý thông tin hệ thống NOMA để kéo dài tuổi thọ trạm chuyển tiếp bị hạn chế lượng mạng không dây Phát triển cho hệ thống đa relay, đa ăng ten, mạng truy cập vô tuyến chuyển tiếp hợp tác thu thập lượng, mạng cảm biến không dây, mạng truy cập vô tuyến đám mây không đồng (HCRAN), máy bay không người lái (UAV) Các công việc phát triển từ Luận án là: • • So sánh, đánh giá đặc tính hai giao thức PSR TSR mạng đa relay, đa điểm truy cập; tính xác suất dừng, thơng lượng, tốc độ trung bình hiệu suất lượng hệ thống, đường truyền qua chuyển tiếp đường truyền trực tiếp; tính xác suất dừng, thơng lượng, tốc độ trung bình hiệu suất lượng hệ thống, hai chế truyền bán song công song công Đánh giá hiệu việc thu thập lượng xử lý thông tin mạng H-CRAN Các mục tiêu nghiên cứu chủ yếu tăng cường hiệu suất phổ, cải thiện hiệu suất lượng, tăng thời lượng pin cho thiết bị di động, hệ thống truyền thơng khơng dây DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Huu Q Tran, Phuc Q Truong, Ca V Phan, and Quoc-Tuan Vien, “On the energy efficiency of NOMA for wireless backhaul in multitier heterogeneous 23 CRAN”, In International Conference on Recent Advances in Signal Processing, Telecommunications & Computing (SigTelCom2017), pp 229-234 Huu Q Tran, Ca V Phan, and Quoc-Tuan Vien, “An overview of 5G technologies”, In Emerging Wireless Communication and Network Technologies, pp 59-80 Springer, Singapore, (2018) Huu Q Tran, Ca V Phan, and Quoc-Tuan Vien, “On the performance of regenerative relaying for SWIPT in NOMA Systems”, In 2019 26th International Conference on Telecommunications (ICT), pp 1-5 Huu Q Tran, Ca V Phan, and Quoc-Tuan Vien, (2020), “Power splitting versus time switching based cooperative relaying protocols for SWIPT in NOMA systems”, Physical Communication: 101098, (SCIE-Q2) Huu Q Tran, Tien-Tung Nguyen, Ca V Phan, and Quoc-Tuan Vien, (2019), “Power-splitting relaying protocol for wireless energy harvesting and information processing in NOMA systems”, IET Communications, 13, no 14, pp 2132-2140, (SCIE-Q2) Huu Q Tran, Tien-Tung Nguyen, Ca V Phan, and Quoc-Tuan Vien, “On the performance of NOMA in SWIPT systems with power-splitting relaying”, In 2019 19th International Symposium on Communications and Information Technologies (ISCIT), pp 255-259 Huu Q Tran and V T Nguyen (2020), "Biometric Image Recognition For Secure Authentication Based on FPGA: A survey”, 5th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD), pp 618-623, doi: 10.1109/GTSD50082.2020.9303115 Huu Q Tran, Ca V Phan, and Quoc-Tuan Vien, (2021),"Performance analysis of power-splitting relaying protocol in SWIPT based cooperative NOMA systems," EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, pp.110-136, https://doi.org/10.1186/s13638-021-01981-9, (SCIE-Q2) Huu Q Tran, Ca V Phan, and Quoc-Tuan Vien, (2021), "Optimizing Energy Efficiency for Supporting Near-Cloud Access Region of UAV-Based NOMA Networks in IoT Systems", Wireless Communications and Mobile Computing, vol 2021, Article ID 4345622, 12 pages, https://doi.org/10.1155/2021/4345622, (SCOPUS-Q2) 24